Yaşanabilir bölge ve yaşanabilir gezegen ölçütleri

Bir gezegenin yaşama elverişli olup olmadığını sorarken astronomların ilk baktığı şey, gezegenin yıldızına olan uzaklığıdır. Çok yakın bir gezegende su buharlaşıp kaybolur, çok uzak bir gezegende ise donar. Arada, yüzeyde sıvı suyun bulunabileceği bir kuşak vardır: yaşanabilir bölge. Masaldaki ne çok sıcak ne çok soğuk lapayı seçen kıza atfen "Goldilocks bölgesi" de denir. Ancak yaşanabilir bölgede olmak, yaşanabilir olmak için yeterli değildir; atmosfer, kütle, manyetik alan ve yıldızın davranışı gibi pek çok başka ölçüt de devreye girer.

Tanım: sıvı su kuşağı

Yaşanabilir bölge (çevreyıldız yaşanabilir bölgesi), bir gezegenin yüzeyinde sıvı suyun var olabileceği yörünge aralığıdır. İç sınırı, sera etkisinin aşırı ısınmayla suyu yok ettiği noktayla; dış sınırı ise sera ısınmasının suyu donmaktan koruyamadığı noktayla belirlenir. Bu iki sınırla çizilen bölgeye muhafazakâr yaşanabilir bölge denir. Yıldızın parlaklığının yaşla değişmesini de hesaba katan daha geniş tanıma ise iyimser yaşanabilir bölge denir.

Sıvı suyun ölçüt seçilmesinin nedeni, bildiğimiz tek yaşam biçiminin, yani Dünya'daki yaşamın, suya tamamen bağımlı olmasıdır. Su, kimyasal tepkimelerin gerçekleştiği bir çözücüdür ve geniş bir sıcaklık aralığında sıvı kalır.

Kavramın tarihi

• 1883: Alexander Winchell gezegenlerin yaşanabilirliğini tartıştı.
• 1913: Edward Maunder "yaşanabilir bölge" terimini kullandı.
• 1953: Hubertus Strughold "ekosfer", Harlow Shapley ise "sıvı su kuşağı" kavramlarını ortaya koydu.
• 1950'ler-60'lar: Su-Shu Huang modern çevreyıldız yaşanabilir bölge kavramını geliştirdi.
• 1964: RAND Corporation'dan Stephen Dole, Samanyolu'nda yaklaşık 600 milyon yaşanabilir gezegen bulunduğunu, bunların yaklaşık 50'sinin 100 ışık yılı içinde olduğunu tahmin etti.
• 1993: James Kasting ve arkadaşları iklim modellerine dayanan ilk ayrıntılı hesabı yaptı.
• 2013: Kopparapu ve arkadaşları bu hesabı güncelledi.

Güneş'in yaşanabilir bölgesi nerede?

Güneş Sistemi için yapılan tahminler birbirinden epey farklıdır. En muhafazakâr hesaplar bölgeye yalnızca Dünya'yı alırken, en geniş tanımlar Ceres'in yörüngesine, hatta ötesine uzanır. Uzaklıklar astronomik birim (AB) ile verilir; 1 AB, Dünya ile Güneş arasındaki ortalama uzaklıktır.

• Kasting ve arkadaşları (1993), muhafazakâr bölge: 0,95-1,37 AB
• Kopparapu ve arkadaşları (2013), muhafazakâr bölge: 0,99-1,67 AB; iyimser bölge: 0,97-1,67 AB
• Ramirez ve Kaltenegger (2017), volkanik hidrojenin ısıtma etkisi eklendiğinde dış sınırın 2,4 AB'ye kadar uzayabileceğini öne sürdü.

Atmosfer basıncı da sınırları değiştirir: Vladilo ve arkadaşları (2013) bölgenin basınçla genişlediğini, yaklaşık 15 milibarın altında ise yaşanabilirliğin sürdürülemeyeceğini buldu. Kuru "çöl gezegenleri" ise suyu yıldızlarına daha yakın mesafelerde koruyabilir ve daha geniş bir dış sınıra sahip olabilir.

Yıldızın türü önemli

Her yıldızın bir yaşanabilir bölgesi vardır, ama hepsi aynı ölçüde elverişli değildir. Sıcak ve parlak yıldızların bölgesi uzakta ve geniştir, sönük yıldızlarınki yakında ve dardır.

• O ve B türü sıcak yıldızlar: Çok hızlı evrimleşip ölürler; yaşamın gelişmesi için gereken yüz milyonlarca yılı tanımazlar.
• Geç F'den orta K'ye kadar yıldızlar: Kabaca 7.000 K ile 4.000 K'nin biraz altı arasındaki yüzey sıcaklığıyla en uygun aday kabul edilir. Güneş (G2 türü, yaklaşık 5.777 K) bu aralıktadır. Yerel Samanyolu'ndaki yıldızların yaklaşık yüzde 5-10'u bu sınıftadır.
• M türü kırmızı cüceler: Galaksinin en yaygın yıldızlarıdır ve çok uzun yaşarlar. Ancak yaşanabilir bölgeleri yıldıza o kadar yakındır ki gezegenler büyük olasılıkla kütleçekimsel kilitlenmeye uğrar: Bir yüzleri hep yıldıza, öbür yüzleri hep karanlığa döner. Ayrıca güçlü yıldız patlamaları (parlamalar) ve yıldız lekeleri atmosferi söküp götürebilir. Kırmızı cücelerin yaşanabilirliği bu yüzden tartışmalıdır. Michael Hart, yalnızca K0 ya da daha parlak yıldızların yaşanabilir bölgeye sahip olabileceğini öne sürmüştü.

Yıldızlar zamanla parlaklaştığı için yaşanabilir bölge de dışarı doğru kayar; yıldız kırmızı deve dönüştüğünde ise bölge köklü biçimde değişir. Yıldızın parlaklığı da kararlı olmalıdır: Güneş'in parlaklığı 11 yıllık döngüsü boyunca yalnızca yaklaşık yüzde 0,1 değişir.

Yaşanabilir gezegenin öteki ölçütleri

Yaşanabilir bölgede olmak ilk adımdır. Gezegenin kendisi de bazı koşulları sağlamalıdır:

Ölçüt	Neden önemli?	Tipik değer ya da sınır
Kütle ve yarıçap	Atmosferi tutmak, iç ısıyı korumak için yeterince büyük; gaz devine dönüşmeyecek kadar küçük olmalı	0,1-3 Dünya kütlesi; 0,5-1,6 Dünya yarıçapı
Atmosfer basıncı	Basınç çok düşükse su sıvı kalamaz	En az yaklaşık 0,006 Dünya atmosferi
Manyetik alan	Yıldız rüzgârı ve kozmik ışınlara karşı kalkan	Büyük demir çekirdek ve yeterince hızlı dönüş gerekir
Levha tektoniği	Kimyasal maddeleri geri dönüştürür, manyetik alanın oluşumuna katkı verir	Tektoniksiz volkanizma da yaşanabilirliği destekleyebilir
Yörünge basıklığı	Basık yörüngeler gezegeni bölgenin dışına taşıyabilir	Dünya 0,02'nin altında; ötegezegenlerin ortalaması yaklaşık 0,25
Eksen eğikliği	Mevsimleri ve iklim kararlılığını belirler	Dünya'nınki 41.000 yılda 21,5° ile 24,5° arasında değişir
Büyük uydu	Eksen eğikliğini dengeleyebilir, gelgitleri yönlendirir	Zorunlu olup olmadığı tartışmalı

Yaklaşık 0,3 Dünya kütlesi, yaşanabilir ve yaşanamaz gezegenler arasında kaba bir sınır olarak önerilmiştir; ancak 2008'deki bir çalışma bu sınırın daha yüksek olabileceğini düşündürür. Dünya'dan büyük "süper Dünyalar"ın daha etkin bir levha tektoniğine sahip olabileceği düşünülür. Eksen eğikliği konusunda ise 85°'ye varan aşırı eğikliklerin bile yaşamı tamamen dışlamadığı belirtilir.

Galaktik yaşanabilir bölge

Kavram galaksi ölçeğine de taşınmıştır. Gonzalez, Ward ve Brownlee 2001'de, gezegen oluşturacak kadar ağır elemente sahip ama galaktik merkezin yıkıcı etkilerinden yeterince uzak bir galaktik yaşanabilir bölge önerdi. Bu fikir, karmaşık yaşamın çok nadir olduğunu savunan Nadir Dünya hipotezinin temel taşlarından biridir; ayrıntısı Nadir Dünya hipotezi sayfasında.

Bölgenin dışında yaşam olabilir mi?

Klasik tanım yüzeydeki suya bakar; ama Güneş Sistemi bize başka bir yol gösteriyor. Jüpiter'in uydusu Europa, Satürn'ün uyduları Enceladus ve Titan ile Jüpiter'in uydusu Ganymede, yaşanabilir bölgenin çok dışında oldukları hâlde buz kabuklarının altında okyanuslar barındırıyor olabilir. Bu okyanusları ısıtan şey güneş ışığı değil, gelgit ısınması ya da radyoaktif bozunmadır. Öte yandan bir gaz devinin çevresindeki uydular için de bir "gezegen çevresi yaşanabilir bölge" tanımlanır: Uydu, gelgit ısınmasının aşırıya kaçmayacağı kadar uzak, ama gezegenin kütleçekim etki alanında kalacak kadar yakın olmalıdır.

Daha da uç bir öneri, suyun yerine başka çözücülerin kullanılmasıdır. Christopher McKay, metanın bir tür "kriyoyaşam"ı destekleyebileceğini ve Güneş Sistemi'nde merkezi yaklaşık 11 AB'de bulunan bir "metan yaşanabilir bölgesi" olabileceğini önerdi.

Ötegezegenlerde yaşanabilir bölge

NASA'nın kataloğundaki doğrulanmış ötegezegen sayısı 6.000'i aştı. Kepler uzay teleskobunun bulduğu 1.030 doğrulanmış gezegenden yaklaşık bir düzinesi Dünya'nın iki katından küçük ve yıldızlarının yaşanabilir bölgesinde dolanıyor. 2013 tarihli Kepler temelli bir çalışma, Samanyolu'nda yaşanabilir bölgede yaklaşık 40 milyar Dünya boyutunda gezegen bulunabileceğini, bunların yaklaşık 11 milyarının Güneş benzeri yıldızların çevresinde olduğunu hesapladı. Kopparapu ise (2013) yaşanabilir bölge gezegeni olan yıldızların oranını 0,48 olarak tahmin etti. Mart 2024 itibarıyla potansiyel yaşanabilir ötegezegen sayısı 70 olarak bildirildi. Doğrulanmış yaşanabilir bölge gezegenlerinin çoğu süper Dünya ya da gaz devidir; çünkü büyük gezegenleri bulmak daha kolaydır.

Öne çıkan örnekler

• Proxima Centauri b: En yakın yıldız Proxima Centauri'nin çevresinde, yaklaşık 4,2 ışık yılı uzakta. 24 Ağustos 2016'da ESO tarafından duyuruldu. En az 1,055 Dünya kütlesinde, 11,2 günde bir dolanıyor ve yıldızına 0,049 AB uzaklıkta. Dünya'nın aldığı ışınımın yaklaşık yüzde 65'ini alıyor; denge sıcaklığı yaklaşık -39 °C. Yıldızı, parlaklığı saatler içinde 100 kat değişebilen bir parlama yıldızı olduğu için atmosferini koruyup korumadığı bilinmiyor.
• TRAPPIST-1: 40,7 ışık yılı uzaklıktaki çok sönük bir kırmızı cücenin çevresinde yedi Dünya boyutunda gezegen. Bunlardan e, f ve g genellikle yaşanabilir bölge adayı sayılır. James Webb Uzay Teleskobu'nun ölçümleri TRAPPIST-1b'nin ya hiç atmosferi olmadığını ya da çok ince bir atmosferi olduğunu gösterdi; 2025'teki TRAPPIST-1e gözlemleri ise atmosfer konusunda henüz kesin bir sonuç vermedi.
• Kepler-186f: 17 Nisan 2014'te duyuruldu; yaşanabilir bölgede bulunan ilk Dünya boyutlu gezegendir. Yaklaşık 580 ışık yılı uzaklıktaki bir kırmızı cücenin çevresinde 130 günde bir dolanır.
• K2-18b: 124 ışık yılı uzaklıkta, kırmızı cüce bir yıldızın yaşanabilir bölgesinde dolanan, Dünya'nın yaklaşık 8,6 katı kütlesinde ve 2,6 katı yarıçapında bir "alt-Neptün". Atmosferinde metan ve karbondioksit bulundu; olası bir biyolojik iz iddiası ise tartışmalı. Ayrıntısı Dünya dışı yaşam arayışı sayfasında.

Kısaca

• Yaşanabilir bölge, bir gezegenin yüzeyinde sıvı suyun bulunabileceği yörünge aralığıdır.
• Güneş için muhafazakâr hesaplar yaklaşık 0,95-1,37 AB (1993) ya da 0,99-1,67 AB (2013) arasını verir.
• Kırmızı cücelerin çevresindeki gezegenler kütleçekimsel kilitlenme ve yıldız parlamaları nedeniyle tartışmalıdır.
• Kütle, atmosfer, manyetik alan, levha tektoniği, yörünge ve eksen eğikliği de yaşanabilirliği belirler.
• Europa ve Enceladus gibi buz altı okyanusları, yaşanabilirliğin bölgenin dışında da mümkün olabileceğini gösteriyor.
• Kepler verilerine göre Samanyolu'nda on milyarlarca yaşanabilir bölge gezegeni olabilir.

Kaynaklar: Wikipedia — Circumstellar habitable zone, Wikipedia — Planetary habitability, Wikipedia — Proxima Centauri b, Wikipedia — TRAPPIST-1, Wikipedia — Kepler-186f, Wikipedia — K2-18b, NASA — Exoplanets